面向風(fēng)機(jī)葉片的五軸聯(lián)動(dòng)后處理程序研究*

畢俊喜 王麗琴 郭宇庭

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

后置處理是將CAM軟件生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工的NC程序，通過讀取刀位文件，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制指令格式，進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換和指令格式轉(zhuǎn)換。國外公司對后置處理技術(shù)研究要早于國內(nèi)，故國內(nèi)后處理技術(shù)比較落后。本課題是針對DMU100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心后置處理而設(shè)定的，由于該機(jī)床配置HeidenHain iTNC 530控制系統(tǒng)，現(xiàn)有CAD/CAM軟件無現(xiàn)成的后置處理，并且通用后處理應(yīng)用效率不高，因此它的后置處理需要專用的后置處理器，這樣可以避免采用更為復(fù)雜的后置處理方法，避免后置處理過程過于繁瑣，有效發(fā)揮五軸加工中心的加工效率并提高五軸數(shù)控機(jī)床的利用率，使后置處理在整個(gè)數(shù)控加工過程所消耗的資源最少、時(shí)間最短、效率得到很大程度的提高。

1 五軸零件葉片設(shè)計(jì)

葉片的設(shè)計(jì)思路:設(shè)計(jì)五軸加工工件—葉片模型采用的是點(diǎn)→線→體:點(diǎn)就是葉片各截面的坐標(biāo)點(diǎn);線是將各坐標(biāo)點(diǎn)擬合而成;體由線擬合而成。點(diǎn)根據(jù)NACA－4412美國的經(jīng)典翼型坐標(biāo)尺寸(如表1所示)計(jì)算出各截面的坐標(biāo)值，再利用樣條曲線將各坐標(biāo)點(diǎn)擬合成線，最后通過曲線掃描成體。

1.1 坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算

葉片的弦長連續(xù)變化的，葉片存在無窮多個(gè)翼型，設(shè)計(jì)時(shí)只能從中選出有限幾個(gè)來，確定出這些翼型的弦長，根據(jù)計(jì)算所得出在不同半徑下葉片弦長，具體如表 2 所示［1］。

為了便于設(shè)計(jì)葉片翼型，根據(jù)NACA－4412美國的經(jīng)典翼型坐標(biāo)尺寸，來計(jì)算出葉片各個(gè)界面的翼型，進(jìn)而設(shè)計(jì)出葉片。翼型坐標(biāo)尺寸是以弦長為1 mm時(shí)的翼型坐標(biāo)尺寸，不同半徑下的翼型坐標(biāo)尺寸用其葉片弦長乘以弦長為1 mm時(shí)的翼型坐標(biāo)尺寸即可得到［1］。

1.2 模型的建立

據(jù)葉片參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算出各個(gè)半徑下的翼型坐標(biāo)尺寸，用“樣條”命令中“根據(jù)極點(diǎn)”將其采入，并完成線的創(chuàng)建;再用“網(wǎng)格曲面”中的“通過曲面組”命令創(chuàng)建體，完成實(shí)體建模，如圖1所示［3］。

表1 經(jīng)典翼型坐標(biāo)尺寸 mm

表2 不同半徑下葉片弦長表題

2 后處理程序的設(shè)計(jì)

后處理程序設(shè)計(jì)時(shí)首先要對DMU100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行必要的了解，主要目的是了解機(jī)床的基本參數(shù)與控制輔助功能。主要的輔助功能如下:M128/M129指令，M128指令是刀尖點(diǎn)跟隨功能，M129指令是取消刀尖點(diǎn)跟隨功能;Cycle32指令保證數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)地將兩個(gè)路徑之間的輪廓平滑過渡(無論補(bǔ)償與否)刀具與工件表面保持接觸;M126/M127指令，M126指令是旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)指令，M127指令是旋轉(zhuǎn)軸取消短路徑運(yùn)動(dòng)指令;M27/M28指令，M27指令是啟動(dòng)碰撞監(jiān)控與測量探針功能，M28指令是取消碰撞監(jiān)控與測量探針功能;M29指令是實(shí)現(xiàn)向刀具錐體吹氣，吹氣時(shí)間由機(jī)床參量來調(diào)整;M36指令是控制排屑器輔助指令［2］。

后處理程序主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容:設(shè)置機(jī)床的基本參數(shù)，包括有對機(jī)床的控制系統(tǒng)與機(jī)床的極限參數(shù)等的設(shè)置;定義程序頭、操作頭的機(jī)床動(dòng)作與設(shè)置刀具、刀補(bǔ)及刀軌移動(dòng)部分;設(shè)定操作結(jié)束前的機(jī)床動(dòng)作與設(shè)定程序結(jié)尾［4－5］。

2.1 設(shè)置機(jī)床的基本參數(shù)

設(shè)置機(jī)床的基本參數(shù)主要內(nèi)容有:將設(shè)置機(jī)床的類型為刀具擺動(dòng)與工作臺回轉(zhuǎn);將機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)置為Heidenhain控制系統(tǒng);對機(jī)床的極限參數(shù)等的設(shè)置。將機(jī)床的基本參數(shù)設(shè)定后，機(jī)床簡圖如圖2所示。

2.2 定義程序頭機(jī)床動(dòng)作

程序頭機(jī)床動(dòng)作主要有:添加NC程序輸出名稱;設(shè)置毛坯的大小;取消刀尖點(diǎn)跟隨功能M129，取消旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)指令M127。定義完成后，程序頭如圖3所示。

2.3 設(shè)置操作頭的機(jī)床動(dòng)作

操作頭機(jī)床動(dòng)作開始動(dòng)作主要內(nèi)容有:添加當(dāng)前UG打開的加工文件名;施加工作力;添加碰撞檢測指令M27;選擇加工平面為XY面;選擇插補(bǔ)方式為圓柱插補(bǔ);調(diào)用Cycle32功能;調(diào)用刀尖點(diǎn)跟隨功能指令M128;調(diào)用旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)指令M126。設(shè)定完后，操作頭的開始動(dòng)作如圖4所示。

操作頭中手動(dòng)換刀設(shè)置:添加向刀庫中刀具錐體吹氣指令M29。操作頭中自動(dòng)換刀設(shè)置:顯示刀具信息;添加向刀庫中刀具錐體吹氣指令M29;自動(dòng)換刀的輔助指令M6。設(shè)置后的自動(dòng)換刀如圖5所示。

2.4 刀軌的設(shè)定

主要有對機(jī)床的控制、加工運(yùn)動(dòng)與鉆孔循環(huán)這3方面進(jìn)行設(shè)定:加工運(yùn)動(dòng)主要定義快速進(jìn)給、直線運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)這3種運(yùn)動(dòng)方式;機(jī)床的控制主要是定義進(jìn)給、換刀、冷卻液、公英制等事件的格式與組成;鉆孔循環(huán)主要是定義當(dāng)進(jìn)行鉆孔加工循環(huán)時(shí)，系統(tǒng)如何處理這類事件，并定義輸出方式。機(jī)床的控制與鉆孔循環(huán)采用系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)，只對加工運(yùn)動(dòng)事件進(jìn)行修改。

對線性運(yùn)動(dòng)修改:添加排屑器控制輔助指令M36;取消冷卻液的產(chǎn)生指令M8的任意狀態(tài);機(jī)床加工時(shí)一般主軸轉(zhuǎn)速不改變，故刪除S塊。如圖6所示。

對圓弧運(yùn)動(dòng)修改:添加一個(gè)自定義的命令，由于Heidenhain操作系統(tǒng)只支持在3個(gè)主平面內(nèi)進(jìn)行;圓弧運(yùn)動(dòng)沒有主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度，故將F與S塊刪除。

自定義命令如下:

設(shè)置后的圓弧運(yùn)動(dòng)如圖7所示。

對快速進(jìn)給修改就是改變FMAX塊的位置，修改后的圓弧運(yùn)動(dòng)如圖8所示。

2.5 設(shè)置操作結(jié)束的機(jī)床動(dòng)作

設(shè)置操作結(jié)束主要內(nèi)容如下:添加冷卻液關(guān)閉命令M9;將機(jī)床退回機(jī)床原點(diǎn)以下5mm;將旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到零點(diǎn)位置;停止主軸旋轉(zhuǎn)指令M5;取消Cycle32功能;取消旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)指令M127;取消刀尖點(diǎn)跟隨指令M129;取消碰撞檢查指令M28。其順序不可以打亂，否則機(jī)床將出現(xiàn)事故。設(shè)置后的操作結(jié)束如圖9所示。

2.6 定義程序尾機(jī)床動(dòng)作

設(shè)置操作結(jié)束主要內(nèi)容如下:定義NC程序輸出名稱;添加停止程序命令;創(chuàng)建一個(gè)自定義命令來計(jì)算加工時(shí)間。

計(jì)算加工時(shí)間的自定義命令如下:

設(shè)置后的程序結(jié)束如圖10所示。

后處理程序的數(shù)控系統(tǒng)控制指令輸出已經(jīng)設(shè)置完成。而格式轉(zhuǎn)換與算法處理本程序采用UG系統(tǒng)默認(rèn)值。

3 后處理的驗(yàn)證

后處理驗(yàn)證就是為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的后處理的正確性。主要內(nèi)容有:對葉片進(jìn)行加工工藝的分析，將葉片加工按加工順序分為粗加工、半精加工和精加工;生成葉片粗加工、半精加工和精加工的刀具軌跡;驗(yàn)證后處理程序，用葉片精加工的刀軌產(chǎn)生NC代碼以驗(yàn)證后處理程序。

3.1 葉片加工工藝的分析

由于DMU100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的A軸不能動(dòng)，故對該葉片進(jìn)行加工時(shí)，先加工好上半部分，再對下半部分進(jìn)行加工。上下兩部分的加工很相似，故以上半部分為例。葉片工件的加工步驟按加工順序分為粗加工、半精加工和精加工。分別分析粗加工、半精加工和精加工這3個(gè)加工步驟不同的工藝要求，根據(jù)各個(gè)步驟不同的要求來確定各自的加工方法和工藝參數(shù)。

3.2 刀軌的生成

機(jī)械加工的過程受加工程序的控制，因此加工程序是機(jī)加工的關(guān)鍵。經(jīng)過加工工藝分析，確定了具體加工方案，再將其轉(zhuǎn)化成加工程序。利用UG軟件將加工葉片的刀軌生成。

啟動(dòng)UG程序，將葉片裝配文件調(diào)入其中，然后單擊“起始”按鈕，選擇“加工”命令，進(jìn)入加工環(huán)境。應(yīng)用UG軟件生成刀軌可分為兩個(gè)階段:一是設(shè)定加工幾何體與加工刀具:二是創(chuàng)建加工操作并產(chǎn)生刀軌［6］。

生成刀軌后，再進(jìn)行模擬加工，如圖11所示。

3.3 后處理的應(yīng)用

葉片刀軌的生成，主要是為了驗(yàn)證建立的五軸后處理的正確與否。故以葉片的精加工為例，對后處理進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過對葉片精加工的NC代碼的驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的后處理是正確的。葉片精加工的具體NC代碼如下:

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)出五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的后置處理程序可以將刀位文件轉(zhuǎn)化成可以用于加工的NC代碼，解決了該機(jī)床無現(xiàn)成的后置處理的問題。后處理程序在實(shí)現(xiàn)基本功能要求的基礎(chǔ)上，較其它通用后處理來說，加入了許多Heidenhain iTNC530的輔助指令，使機(jī)床的加工效率與加工質(zhì)量得到了顯著的提升，從而體現(xiàn)出該后處理的優(yōu)越之處。然而該后處理也有一些不足之處，因機(jī)床的一些輔助指令之間的相互位置對加工中心加工有一定的影響，而它將機(jī)床的輔助指令按照一種順序進(jìn)行設(shè)置，并未進(jìn)行比較求最優(yōu)。若在實(shí)際加工中比較幾種不同的順序的后處理的加工效果，求其最優(yōu)，這樣有利于提高加工中心的加工效率與加工質(zhì)量。

［1］何顯富，盧露，楊躍進(jìn)，等.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］HEIDENHAIN.海德漢編程中文［Z］.2006.

［3］胡仁喜，王敏，劉昌麗.UG NX5中文版曲面造型實(shí)例圖解［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］張磊.UG NX6后處理技術(shù)培訓(xùn)教程［M］.北京:清華工業(yè)出版社，2009.

［5］路啟建，褚輝生.高速切削與五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［6］黃成，張文麗.UG NX7.5數(shù)控編程基礎(chǔ)與經(jīng)典范例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.